操作系统——进程调度之短进程优先

1、什么是进程调度

　　无论是在批处理系统还是分时系统中，用户进程数一般都多于处理机数、这将导致它们互相争夺处理机。另外，系统进程也同样需要使用处理机。这就要求进程调度程序按一定的策略，动态地把处理机分配给处于就绪队列中的某一个进程，以使之执行。　　　

2、处理机调度分类

高级、中级和低级调度作业从提交开始直到完成，往往要经历下述三级调度：

高级调度：(High-Level Scheduling)又称为作业调度，它决定把后备进程调入内存运行；

低级调度：(Low-Level Scheduling)又称为进程调度，它决定把就绪队列的某进程获得CPU；

中级调度：(Intermediate-Level Scheduling)又称为在虚拟存储器中引入，在内、外存对换区进行进程对换。

3、短进程优先

最短CPU运行期优先调度算法(SCBF--Shortest CPU Burst First)
该算法从就绪队列中选出下一个“CPU执行期最短”的进程，为之分配处理机。
例如，在就绪队列中有四个进程P1、P2、P3和P4，它们的下一个执行
期分别是16、12、4和3个单位时间，执行情况如下图：
P1、P2、P3和P4的周转时间分别为35、19、7、3，平均周转时间为16。
该算法虽可获得较好的调度性能，但难以准确地知道下一个CPU执行期，而只能根据每一个进程的执行历史来预测。

4、C语言模式实现
　　1》、常量声明和数据结构定义

#include "stdio.h"
#include <stdlib.h>
#include "string.h"
#define NULL 0

typedef struct pcb
{
char name[10]; //进程名称
int ArrivalTime; //到达时间
int StartTime;   //开始运行时间
int FinishTime;  //结束运行时间
int WholeTime;   //运行所需时间

struct pcb *link; //下一个指针
}pcb;
int N;  //运行的进程数量
void input();
pcb *ready=NULL,*p=NULL,*finish = NULL;
//ready 是初始时的状态，finish 是结束时状态
int M;

　　2》、输入进程信息函数

void input()
{
printf("请输入进程数量:");
scanf("%d",&N);   //N为全局变量
M = N;
struct pcb *q = ready;
int  i = 0;
for( i=0 ;i<N;i++)
{
printf("请输入第 %d 个进程信息-----------\n",i+1);
p = (pcb *)malloc(sizeof(pcb));
printf("请输入进程名：")    ;
scanf("%s",p->name);
printf("请输入进程到达时间:");
scanf("%d",&p->ArrivalTime);
printf("请输入进程运行时间：");
scanf("%d",&p->WholeTime);
p->link = NULL;
if(NULL == ready)
{
ready = p;
q = ready;
}
else
{
q = ready;
while(NULL != q->link)  //将q移动到就绪队列最后一个进程
{
q = q->link;
}
p->link = NULL;
q->link = p;
q=p;
}
printf("\n");
}
q= NULL;
free(q);
}

　　3》、短进程优先算法【核心代码】

//先输入的肯定是先到达的
//nowTime 是现在执行的时间
pcb* sjf(int nowTime,int *after)
{
int i = 0 ;
pcb *nowProgress=NULL, *p = ready;
int ProgressNum = 0; // 当前最短的是第几个线程
int minTime =0; // 最短运行时间

if(NULL != ready)
{
while(NULL != p) //遍历整个链表，查找出最短的进程，即运行时间最短
{
//    printf("\n%d  %d  %d  \n",p->ArrivalTime,nowTime >= p->ArrivalTime,nowTime) ;
if(nowTime >= p->ArrivalTime)
{
if(0 == minTime)  //首次赋值
{
nowProgress = p;
minTime = p->WholeTime;
}
else
{
if(p->WholeTime < minTime)
{
nowProgress = p;
minTime = p->WholeTime;
}
}

*after = minTime+nowTime;
}
p = p->link;
}
}

return nowProgress;
}

　　4》、输出每个时刻的进程信息函数

void output(pcb *p,int now_time)
{
if(NULL == p)
{
printf("当前时刻：%d，暂无进程在运行！\n",now_time);
}
else
{
printf("进程名：%s，运行时间：%d，到达时间:%d\n",p->name,p->WholeTime,p->ArrivalTime);
}
}

　　5》、输出进程运行总体情况统计

void outputAll()
{
pcb *p = finish;
printf("\n-----------------------统计结果：-------------------\n");
float avgRevolve = 0;
float avgSuperRevolve = 0;

while(NULL != p)
{
avgRevolve += p->StartTime+p->WholeTime-p->ArrivalTime;
avgSuperRevolve += 1.0*(p->StartTime+p->WholeTime-p->ArrivalTime)/p->WholeTime;
printf("\n进程名：%s,开始时间%d,结束时间：%d，运行时间：%d，到达时间:%d\n",p->name,p->StartTime,p->FinishTime,p->WholeTime,p->ArrivalTime);
p = p->link;
}
printf("\n----这组进程平均周转时间：%f,平均带权平均周转时间：%f\n",avgRevolve/M,avgSuperRevolve/M);
}

　　

　　6》、删除准备队列（ready）已经运行的进程p ，添加到完成队列（finish）队列中

// 删除准备队列（ready）已经运行的进程p ，添加到完成队列（finish）队列中
void destory(pcb *p,int now_time)
{

pcb *q = ready;
pcb *f = NULL;
if(strcmp(p->name,ready->name) == 0)  //第一个进程
{
ready = ready ->link;
}
else  //中间进程
{
q = ready;

while(  (strcmp(q->link->name,p->name) != 0) && NULL != q->link)  //找到p要删除的位置
{

q= q->link;

}

q->link = p->link;

}

//将已经运行的进程添加到finish队列
p->StartTime = now_time-p->WholeTime;
p->FinishTime = now_time;

if(NULL == finish)  //第一个完成的进程
{
finish = p;
p->link = NULL;
}
else  //中间完成的进程
{
f = finish;
while(NULL != f->link )
{
f = f->link;
}
f->link = p;
p->link = NULL;
}

N--;  //等待进程减1
}

　　7》、主函数

int main()
{

input();

struct pcb *s = ready;
int now_time = 0 ;
struct pcb *nowProgress = NULL;  //当前运行的进程
int *after = 0; //执行完一个进程之后的时间
int i = 0 ;

pcb *m = ready;

while(N > 0)//一次运行一个进程
{
nowProgress = sjf(now_time,&after);

if(NULL != nowProgress)  //当前有进程在运行
{

for(;now_time < after;now_time++)  //输出每个时刻运行的进程情况
{
printf("#################################################\n");
printf("当前时刻：%d\n",now_time);
printf("\n-------------当前执行进程：----------\n");
output(nowProgress,now_time);
printf("\n-------------等待执行进程：----------\n");
m=ready;
while(NULL != m)
{
if(m != nowProgress)
{
if(m->ArrivalTime <= now_time)
output(m,now_time);
}
m= m->link;
}
printf("#################################################\n\n");
}

printf("\n");

destory(nowProgress,now_time);

}
else   //没有进程在运行
{
output(nowProgress,now_time);
now_time ++;
}

}
outputAll();
return 0;
}

　　8》、测试
输入数据：



运行结果：



省略中途的截图，这里只给出最后的总计情况的截图



　　实际上，进程调度有很多种进程调度的方式，不同的进程调度方式，他们的优缺点各有不同，而且他们的适用场景也不尽相同，这里只给出了短进程优先的调度方式。下面我们来比较一下，一些调度方式【只是部分】的优缺点：

1.先来先服务（FCFS, First Come First Serve），按先后顺序进行调度。
（1）、适用场景：
比较有利于长进程，而不利于短进程。因为长进程会长时间占据处理机。
有利于CPU繁忙的进程，而不利于I/O繁忙的进程。

（2）、优点：

有利于长进程，有利于等待时间久的进程，不会有进程长期等待而得不到响应。有利于CPU频繁的进程。

（3）、缺点：

不利于短进程，忽视了进程的运行时间。不利于I/O频繁的进程。

2. 响应比高者优先（HRN）：FCFS和SJF的的折中，动态生成昨夜的优先级。

（1）、优点：

既考虑了进程的等待时间，又考虑了进程的运行时间，是FCFS和SJF的的折中，会考虑让进程短的先进行，随着长进程等待时间的增加，优先级相应的增加，使得通过一定时间的等待，必然有机会获得处理机。

（2）、缺点：

在每次进行调度之前，都需要先做响应比的计算，会增加系统的开销

3. 优先级法（Priority Scheduling）：按照进程的优先级，对进程进程调度。

（1）、分类：
静态优先级：
　　进程调度中的静态优先级大多按以下原则确定：
　　由用户自己根据进程的紧急程度输入一个适当的优先级。
　　由系统或操作员根据进程类型指定优先级。
　　系统根据进程要求资源情况确定优先级。
　　进程的静态优先级的确定原则：
　　按进程的类型给予不同的优先级。
　　将进程的情态优先级作为它所属进程的优先级。
动态优先级：
　　进程的动态优先级一般根据以下原则确定：
　　根据进程占用有CPU时间的长短来决定。
　　根据就绪进程等待CPU的时间长短来决定。

（2）、优点：

可以通过优先级反映进程的紧迫程序，使比较紧迫的进程优先运行

（3）、缺点：

需要计算进程的优先级，会产生一定的开销。
4．短进程优先法（SJF, Shortest Job First）：短进程优先运行，其目标是减少平均周转时间。

(1) 优点：
　　比FCFS改善平均周转时间和平均带权周转时间，缩短进程的等待时间；
　　提高系统的吞吐量；
(2) 缺点：
　　对长进程非常不利，可能长时间得不到执行；
　　未能依据进程的紧迫程度来划分执行的优先级；
　　难以准确估计进程（进程）的执行时间，从而影响调度性能。

采用SJF算法时，人—机交互无法实现

完全未考虑进程的紧迫程度，故不能保证紧迫性进程得到及时处理